PL216952B1 - Stałe heterogeniczne paliwo rakietowe - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest stałe heterogeniczne paliwo rakietowe w postaci kompozycji zawierającej trzy podstawowe składniki - lepiszcze na bazie ciekłego karboksylowego kauczuku nitrylowego, utleniacz - chloran(VII) amonu, proszek glinowy podwyższający właściwości energetyczne paliwa, a także modyfikator spalania oraz dodatki technologiczne, takie jak plastyfikator i środek utwardzający.

Znane są stałe heterogeniczne paliwa rakietowe, których podstawowymi składnikami są: lepiszcze na bazie ciekłego karboksylowego kauczuku nitrylowego tj. terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu akrylowego (PBAN), utleniacz - chIoran(VII) amonu oraz proszek glinowy, przy czym utleniacz i proszek glinowy osadzone są w lepiszczu stanowiącym ich osnowę. Paliwa tego rodzaju zawierają 50-85% wagowych chloranu(Vll) amonu, zazwyczaj w postaci dwóch frakcji; gruboziarnistej - o wielkości cząstek (kryształów) poniżej 400 mikrometrów i drobnoziarnistej - o wielkości cząstek (kryształów) do 50 mikrometrów, 10-35% wagowych lepiszcza (PBAN), 5-20% wagowych proszku glinowego, 2-3% wagowych plastyfikatora - adypinianu dioktylu. Resztę składników stanowiących do kilku % wagowych masy paliwa stanowią; modyfikator (katalizator) spalania - np. tlenek żelaza(lll) oraz środek utwardzający - np. żywica epoksydowa. Tego rodzaju paliwa rakietowe stosowane np. w silnikach rakietowych pomocniczych promów kosmicznych i rakiet kosmicznych [http://commons.wikimedia.org/wiki/STS-1. Folly P., Mader P., Propellant Chemistry, Chimia 58(2004) 374-382]. Typowa kompozycja ww. heterogenicznych paliw rakietowych składa się z 69,6 części wagowych chloranu(VII) amonu, 16 części wagowych proszku glinowego, 0,4 części wagowych tlenku żelaza(lll), 12,04 części wagowych PBAN oraz 1,96 części wagowych żywicy epoksydowej.

ChIoran(VII) amonu jest nie tylko podstawowym składnikiem utleniającym, lecz również energetycznym składnikiem paliwa, co wynika z procesu utleniania zachodzącego podczas palenia paliwa rakietowego. PBAN oprócz roli podstawowego składnika wiążącego, spełnia także funkcję podstawowego składnika palnego. Modyfikator spalania ma zapewnić stabilny, jak najmniej zależny od ciśnienia produktów spalania w silniku rakietowym i temperatury otoczenia, prawidłowy przebieg procesu spalania ładunku paliwa, potwierdzony stabilnym i niezakłóconym przebiegiem ciśnienia w komorze spalania silnika w funkcji czasu i temperatury spalania. Modyfikatory szybkości spalania pozwalają otrzymać paliwa o określonych szybkościach spalania w zależności od wymagań eksploatacyjnych stawianych stałym paliwom rakietowym i w konsekwencji - rakietowym układom napędowym. Najczęściej stosowanymi modyfikatorami procesu spalania stałych heterogenicznych paliw rakietowych są tlenki i sole metali o zmiennej wartościowości, w tym tlenek żelaza(lll). Związki te ulegają rozkładowi przy stosunkowo niskiej temperaturze, uwalniając aktywny tlen, który przyspiesza proces spalania paliwa rakietowego.

Istota rozwiązania stałego heterogenicznego paliwa rakietowego według wynalazku polega na tym, że paliwo to składa się z 68 części wagowych chloranu(VlI) amonu, przy czym z 20,4 części wagowych chIoranu(VIl) amonu o wielkości cząstek poniżej 50 mikrometrów oraz 47,6 części wagowych chloranu(VII) amonu o wielkości cząstek z zakresu 50-400 mikrometrów, 7,24 części wagowych terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu metakrylowego, 16 części wagowych proszku glinowego o wielkości cząstek poniżej 32 mikrometrów, 3,6 części wagowych adypinianu dioktylu, 4,16 części wagowych ciekłej bisfenolowej żywicy epoksydowej, 1 części wagowej tlenku żelaza(lll) o wielkości cząstek nie przekraczających 200 nm.

Skład jakościowy paliwa według wynalazku różni się od ww. znanych składów stałych paliw rakietowych ze względu na obecność karboksylowego kauczuku nitrylowego - terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu metakrylowego zamiast karboksylowego kauczuku nitrylowego - terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu akrylowego (PBAN). Zastosowanie terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu metakrylowego zamiast ciekłego kauczuku - terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu akrylowego (PBAN) spowodowane jest dostępnością tego pierwszego w kraju.

Ponadto, bardzo istotnym parametrem paliwa według wynalazku jest zastosowanie katalizatora procesu spalania - tlenku żelaza(lll) o bardzo małej wielkości cząstek (do 200 nm), co zapewnia uzyskanie lepszego wymieszania, uzyskanie większej powierzchni aktywnej, a zatem - lepszych) charakterystyk i lepszej kontroli procesu spalania paliwa oraz prawa spalania paliwa.

Zastosowanie w powyższym składzie paliwa rakietowego według wynalazku ww. określonego rozdrobnienia substancji, w tym dobór rozdrobnienia frakcji substancji znajdujących się w stanie stałym, tj. chloranu(VII) amonu, proszku glinowego i tlenku żelaza(lll), pozwala uzyskać paliwo o maksyPL 216 952 B1 malnie dużej, optymalnej zawartości składników utleniających i energetycznych przy wystarczającej ilości substancji organicznych wiążących i plastyfikujących, tj. lepiszcza, plastyfikatora, środka utwardzającego, stanowiących osnowę paliwa rakietowego i decydujących przede wszystkim o jego właściwościach mechanicznych. Powyższy skład paliwa decyduje o jego podstawowych eksploatacyjnych - energetycznych i balistycznych parametrach, takich jak: kaloryczność, impuls właściwy, szybkość spalania i wykładnik potęgowy występujący we wzorze opisującym szybkość spalania paliwa w zależności od ciśnienia.

Paliwo o składzie według wynalazku jest bardzo energetyczne - posiada kaloryczność 6400 J/g, ₃ impuls właściwy 2286 Ns/kg, gęstość 1,78 g/cm³. Szybkość spalania (u) paliwa w zakresie ciśnień (p) występujących w komorze spalania silnika rakietowego, wynoszącym 2-10 MPa, przy temperaturze początkowej paliwa, wynoszącej ok. 20°C, wyrażona w cm/s, opisana jest następującym wzorem em0,213 pirycznym; u = 0,988 p^0,213. Paliwo według wynalazku charakteryzuje się również bardzo korzystną z punktu widzenia stabilności przebiegu procesu spalania małą zależnością szybkości spalania w funkcji ciśnienia, wyrażoną stosunkowo niewielką wartością wykładnika potęgowego prawa szybkości spalania, wynoszącego 0,213. Otrzymanie powyższych, korzystnych parametrów eksploatacyjnych paliwa według wynalazku okazało się możliwe przede wszystkim dzięki zastosowaniu jako katalizatora szybkości spalania tlenku żelaza(lIl) o wielkości cząstek, nie przekraczającej 200 nm.

P r z y k ł a d. Stałe heterogeniczne paliwo rakietowe posiadające powyższe charakterystyki i parametry eksploatacyjne składa się z 7,24 części wagowych karboksylowego kauczuku nitrylowego, tj. terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu metakrylowego stanowiącego lepiszcze, 68 części wagowych chIoranu(VII) amonu stanowiącego utleniacz, w tym 20,4 części wagowych chloranu(VII) amonu o rozdrobnieniu poniżej 50 mikrometrów i 47,6 części wagowych chloranu(VII) amonu o wielkości cząstek poniżej 400 mikrometrów, 1 części wagowej tlenku żelaza(lll) stanowiącego modyfikator szybkości spalania o wielkości cząstek nie przekraczających 200 nm, 4,16 części wagowych ciekłej bisfenolowej żywicy epoksydowej stanowiącej środek utwardzający, 3,6 części wagowych adypinianu dioktylu stanowiącego plastyfikator, 16 części wagowych proszku glinowego stanowiącego dodatek energetyczny.

W celu otrzymania stałego heterogenicznego paliwa o powyższym składzie, do termostatowanego kosza ugniatarki planetarnej o temperaturze 80°C wprowadza się kolejno 1 część wagową ciekłego karboksylowego kauczuku nitrylowego - terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu metakrylowego, 0,536 części wagowych adypinianu dioktylu i miesza przez 1 h, a następnie wprowadza 5,086 części wagowych drobnoziarnistego chloranu(VII) amonu o rozdrobnieniu poniżej 50 mikrometrów w czterech równych porcjach tj. wynoszących 1,2715 części wagowych każda, przy czym po dodaniu każdej z trzech pierwszych porcji, otrzymaną mieszaninę miesza się przez 10 minut, zaś po dodaniu czwartej porcji uzyskaną mieszaninę miesza przez 3 h pod normalnym ciśnieniem oraz przez 3 h pod ciśnieniem obniżonym nie przekraczającym 5,3 kPa do uzyskania jednorodnej, płynnej masy przedmieszki. Następnie, do drugiego termostatowanego kosza ugniatarki planetarnej, o temperaturze 80°C wprowadza się 26,56 części wagowych jednorodnej, płynnej przedmieszki, po czym, przy normalnym ciśnieniu wprowadza się do niej kolejno 3,23 części wagowych ciekłego karboksylowego kauczuku nitrylowego - terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu metakrylowego, 1,45 części wagowych adypinianu dioktylu - plastyfikatora wymieszanego z 1 częścią wagową tlenku żelaza(lll) - katalizatora procesu spalania paliwa i miesza przez 10 minut od chwili dodania ostatniego składnika. Następnie wprowadza się 16 części wagowych proszku glinowego - dodatku energetycznego podwyższającego temperaturę spalania paliwa, o rozdrobnieniu poniżej 32 mikrometrów w dwóch jednakowych porcjach, tj. wynoszących po 8 części wagowych, mieszając przez 10 minut po wprowadzeniu każdej porcji i dodaje się 47,6 części wagowych chIoranu(VII) amonu o rozdrobnieniu z przedziału od 50 mikrometrów do 400 mikrometrów w trzech porcjach wynoszących odpowiednio 16, 16 oraz 15,6 części wagowych, mieszając przez 10 minut po wprowadzeniu każdej z dwóch pierwszych porcji oraz 90 minut po dodaniu trzeciej porcji. Na końcu dodaje się 4,16 części wagowych ciekłej bisfenolowej żywicy epoksydowej - środka utwardzającego/sieciującego, mieszając przez 30 minut pod normalnym ciśnieniem, a następnie przez kolejne 30 minut przy obniżonym ciśnieniu nie przekraczającym 5,3 kPa, otrzymując półpłynną mieszaninę-zawiesinę, którą pod zmniejszonym ciśnieniem wynoszącym 2 kPa zalewa się do formy odlewniczej o temperaturze 80°C, po czym mieszaninę-zawiesinę utwardza się w temp. 80°C przez 96 h do uzyskania stałego heterogenicznego paliwa rakietowego.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Stałe heterogeniczne paliwo rakietowe w postaci kompozycji, zawierającej trzy podstawowe składniki - lepiszcze na bazie ciekłego karboksylowego kauczuku nitrylowego, utleniacz - chloran(VII) amonu, proszek glinowy-zwiększający właściwości energetyczne paliwa, a także modyfikator spalania oraz dodatki technologiczne, takie jak plastyfikator i środek utwardzający, znamienne tym, że składa się z 68 części wagowych chloranu(VII) amonu, przy czym z 20,4 części wagowych chIoranu(VII) amonu o wielkości cząstek poniżej 50 mikrometrów oraz 47,6 części wagowych chloranu(VII) amonu o wielkości cząstek z zakresu 50-400 mikrometrów, 7,24 części wagowych terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu metakrylowego, 16 części wagowych proszku glinowego o wielkości cząstek poniżej 32 mikrometrów, 3,6 części wagowych adypinianu dioktylu, 4,16 części wagowych ciekłej bisfenolowej żywicy epoksydowej, 1 części wagowej tlenku żelaza(lll) o wielkości cząstek nie przekraczających 200 nm.